Мир химии #1 продолжение

При поддержке chemworld.narod.ru Рассылки Subscribe.Ru Мир химии

Лайнус Полинг и витамин С

Присуждение Нобелевской премии мира оказалось полным сюрпризом и чудесной новостью. Лужайка перед домом Полингов в Пасадене быстро заполнилась репортерами и телеоператорами. Посыпались поздравительные телеграммы. Телефон не умолкал. Полинг устроил короткую пресс-конференцию, на которой сообщил всем, что горд и счастлив. "И я надеюсь, – сказал он, – что благодаря этой награде работать для мира станет в США уважаемым занятием".

Полинг торжествовал. Годами он терпел нападки, годами его профессиональная карьера страдала из-за его борьбы против атомной бомбы. Теперь он был отомщен.

Нобелевская премия мира и вправду была великой честью, особенно потому, что она сделала Полинга первым в мире обладателем двух ни с кем не разделенных Нобелевских премий. Общественность, однако, откликнулась на это событие не одними поздравлениями. Несколько газет и журналов выступили с критикой решения Нобелевского комитета, заявляя, что президент Кеннеди заслужил эту премию больше, чем Полинг, которого "Нью-Йорк геральд трибьюн" назвала "увешанным плакатами писником". (Писник – peacnik – одно из появившихся после запуска первого спутника английских слов с русским суффиксом. Оно имеет презрительный оттенок, – как и битник, неряшливый представитель богемы, – и означает человека, не способного ни к чему, кроме демонстраций за мир. –( Примеч. переводчика.)

Этот хор недоброжелательных голосов обескуражил Полинга, как обескуражили его и прохладные похвалы, с которыми президент Калтеха Дюбридж выступил в местной газете. Дюбридж счел возможным процитировать чье-то высказывание о том, что "многие не одобряют некоторые его (Полинга) методы и действия". В статье не было ни поздравлений, ни слова о чести для Калтеха, ни сообщения о грандиозном приеме вроде того, который девятью годами раньше был устроен в честь Полинга, получившего Нобелевскую премию по химии.

Звание нобелевского лауреата – и 50 000 долларов, полученные вместе с ним (это примерно равнялось трехгодичному жалованью Полинга) – позволяло ему сделать ответный ход. Через несколько дней после опубликования статьи Дюбриджа Полинг созвал еще одну пресс-конференцию. Под жужжание камер и вспышки блицев он объявил, что после 40 лет пребывания в Калтехе, сначала студентом, потом преподавателем, потом главой химического факультета – он покидает институт. Он сказал, что переезжает в Санта-Барбару, чтобы стать сотрудником Центра по изучению демократических институций, своего рода либерального клуба экспертов, решающих политические и социальные проблемы.

Санта-Барбара его разочаровала. Ава-Хелен (супруга Полинга. – Примеч. переводчика.) скучала по пасаденским подругам. Полинг, собиравшийся создать научно-обоснованную этическую систему, обнаружил, что делает очень мало, зато участвует в бесконечных обсуждениях и дебатах.

Тосковал он и по своим научным занятиям. Лаборатории при Центре не было, а без лаборатории он не мог убедить организации, распределяющие гранты, дать ему деньги для реализации новых идей.

Все предыдущее десятилетие Полинг работал в науке в лучшем случае урывками. Научные проекты, которыми он руководил (самые значительные из них – исследование молекулярных причин психических заболеваний и неудачная попытка открыть механизм анестезии), не дали заметных результатов. Единственная хорошая работа была выполнена в 1961 году, когда он с сотрудником обратил внимание на то, что молекулярные вариации гемоглобина различных видов животных коррелируют с их эволюционной удаленностью друг от друга. Чем больше времени прошло с момента разделения видов, тем больше у них различия в строении молекул гемоглобина. Полинг назвал это явление молекулярными часами и с его помощью показал, например, что человек и горилла разошлись в своем развитии гораздо позже, чем считалось.

Он был постоянно занят поисками какой-то большой идеи, которая, подобно идее молекулярной комплементарности, открыла бы перед ним новые научные горизонты.

И в 1965 году он нашел такую идею. Оставшись переночевать в Кармеле (Калифорния) у своего друга, врача психиатра, и ища что-нибудь почитать, он наткнулся на книгу, в которой описывалось применение ниацина (это один из витаминов группы В) для лечения шизофрении, серьезного психического заболевания. Полинга поразило сделанное в этой работе открытие, что дозы витамина, в сотни раз превышающие рекомендованные, иногда излечивают это заболевание. Полинг сразу же принялся читать все, что имелось в литературе о влиянии витаминной терапии на работу мозга.

Через несколько недель идея начала оформляться в голове Полинга. Из прочитанного он узнал, что мозг является сложной электрохимической системой, в которой сигналы передаются от одной нервной клетки к другой. А из своего долгого опыта химика он знал, что химические реакции хорошо идут только при правильных концентрациях реагирующих веществ: когда одних или других молекул слишком мало, реакция замедляется. А что, если рассматривать работу мозга, спросил себя Полинг, как набор химических реакций? Оптимальной работы можно ожидать от мозга только в том случае, когда он получает нужные молекулы в нужных количествах... Возможно, подумал Полинг, психические расстройства возникают из-за нарушения молекулярного баланса в мозгу. Возможно, что эта концепция, для которой Полинг предложил название ортомолекулярной, чтобы подчеркнуть свою мысль о "нужных молекулах в нужных количествах", применима и ко всему организму.

Толчок к разработке этой идеи был дан Полингу в 1966 году. Выступая в Нью-Йорке на вручении ему медали имени Карла Нойберга, присужденной за работы, объединяющие биологическую и медицинскую науки, Полинг заметил, что хотел бы прожить еще 20 лет, чтобы стать свидетелем великих научных открытий. Через несколько дней он получил письмо от Ирвина Стоуна, биохимика, присутствовавшего на вручении медали Полингу. Почему только 20, спрашивал Стоун, если вы можете прожить еще 50 лет, увеличив свое потребление витамина С?

Полинг начал переписываться со Стоуном и читать литературу о вита мине С. Проблема состояла в том, считал Стоун, что правительство приняло слишком низкую норму минимального суточного потребления витамина С, достаточную лишь для предотвращения цинги. Стоун утверждал, что гораздо более высокие дозы витамина С помогут предотвратить вирусные болезни, рак, болезни сердца. Но как много витамина С должны потреблять люди? Крысы, которые, в отличие от человека, синтезируют свой собственный витамин С, вырабатывают его столько, сколько в пересчете на вес человека равнялось бы 2000-4000 мг в сутки – примерно в 100 раз больше рекомендованных норм. Сам Стоун принимал ежедневно 3000 мг витамина С. На Полинга произвели впечатление эволюционные доводы Стоуна, и он тоже начал считать, что здесь кроется потенциальная возможность улучшения здоровья путем обеспечения идеального, а не минимального количества необходимых молекул. Просмотрев необходимую литературу и убедившись, что большие дозы витамина С, по-видимому, не представляют заметной угрозы для здоровья, Полинг решил попробовать принимать его сам. Он и Ава-Хелен начали ежедневно принимать по 3000 мг аскорбиновой кислоты.

Результат был поразительным. Они оба обнаружили, что у них прибавилось сил, улучшилось самочувствие и, что было удивительнее всего, у Полинга прекратились постоянно мучившие его простуды. Три года Полинг вынашивал свои идеи насчет витамина С и здоровья. За это время он ушел из центра по изучению демократических институций и занялся поисками места, где он снова смог бы занять ся наукой. Академический 1967/68 год он провел в качестве приглашенного профессора в Калифорнийском университете Сан-Диего, что не только дало ему возможность вернуться к преподаванию, но и открыло ему доступ к лаборатории, где вместе с молодым, талантливым и трудолюбивым ученым по имени Арт Робинсон он начал серию биохимических экспериментов. Поначалу казалось, что такое положение может стать постоянным, однако возраст Полинга и его убеждения, которые он не перестал высказывать публично (теперь он протестовал против вьетнамской войны и иногда даже призывал студентов к протестам против американского милитаризма), побудили университетские власти продлить свое приглашение только на год.

Поэтому он и Ава-Хелен снова перебрались, на этот раз в Стэнфордский университет, где ему удалось устроиться на должность профессора-консультанта по химии с тем условием, что свои расходы на покупку книг и необходимого для работы оборудования он будет оплачивать из своего половинного жалованья. Стэнфорд был предпочтительнее Сан-Диего по многим причинам. Во-первых, персонал химического факультета и руководство были рады заполучить к себе Полинга. Во вторых, в этом частном университете не было проблем с государственными правилами относительно возраста, в котором работники должны выходить на пенсию. И наконец, он был расположен к югу от Сан-Франциско в приятном зеленом городке Пало-Альто, гораздо ближе ко второму дому Полингов, построенному ими на Нобелевскую премию мира в Виг-Сер, на живописном океанском берегу.

Арт Робинсон последовал за Полингом в Стэнфорд, где стал ему помогать. Робинсон был специалистом по газовой хроматографии, исключительно чувствительному методу разделения и анализа химических соединений в сложных смесях, подобных моче или крови. Он объединил этот метод с компьютерным анализом и использовал его для отслеживания судеб молекул в организме. Старый теоретик Полинг и молодой экспериментатор Робинсон решили вместе заняться проверкой ортомолекулярных идей Полинга.

Их работа спокойно продвигалась вперед до 1969 года, когда Полинг в своей лекции мимоходом бросил замечание, что сам с успехом применяет витамин С для профилактики простуды. Местные газеты тут же раз звонили об этом, и вскоре высказывания Полинга о том, что большие дозы витамина С полезны, стали достоянием гласности. Несколько врачей немедленно обрушились на него с критикой. Где, спрашивали они, научные доказательства правоты Полинга?

И Полинг начал их собирать. Он нашел пять аккуратно выполненных широкомасштабных медицинских исследований, явно доказывавших, по его мнению, что дозы витамина С, превышающие нормальные, способны снижать частоту и тяжесть простуды. В некоторых из этих исследований пациентам давали немного добавочного витамина С, и эффект был невелик. В других работах и дозы были больше, и эффект более заметный. Самые большие дозы были в швейцарском эксперименте с лыжниками, где одна половина группы ежедневно получала дополнительно по 1000 мг витамина С, а другая половина – нет. В получавшей витамин С группе количество человеко-дней простуды оказалось на 61%, а тяжесть простуды – на 65% меньше, чем в контрольной группе. Это скромное исследование убедило Полинга в том, что он на пути к очень важному открытию. Потреб ляя больше витамина С, дешевого и безопасного элемента питания, миллионы людей смогут улучшить свое здоровье. Взволнованный Полинг начал писать о своем открытии и статью в научный журнал, и научно-популярную книгу.

Это был период самой бурной научной и общественной работы Полинга. Его статья была отвергнута журналом "Science", но его научно-популярная книга, "Витамин С и обычная простуда", увидевшая свет осенью 1970 года, стала бестселлером. Полинг рассказывал о своей книге в газетах, журналах, в интервью по радио и на телевидении. Люди стали покупать витамин С в больших количествах. За несколько месяцев его продажа удвоилась, утроилась и учетверилась. Запасы аптек были распроданы. Производите ли начали строить новые заводы, что бы удовлетворить раcтущий спрос. Витаминная промышленность еще не видела такого бума.

Однако врачи по-прежнему были настроены скептически. Глава Управления по контролю за пищевыми продуктами и лекарствами США назвал ажиотаж вокруг витамина С "смехотворным" и заявил, что "нет никаких научных доказательств и не было ни одной достойной внимания научной работы, которая свидетельствовала бы о том, что витамин С может предотвращать или излечивать обычную простуду". "Журнал Американской медицинской ассоциации" писал о книге Полинга: "Мы слышим здесь не взвешенные суждения ищущего истину философа или ученого, а четкие, решительные речи коммивояжера, который хочет что-то продать... Многие почитатели Лайнуса Полинга пожалеют, что он написал эту книжку". В медицинской прессе Полинга критиковали за то, что он обратился прямо к публике, не обнародовав свои идеи сначала в научных журналах, где перед публикацией работы оцениваются экспертами; за то, что он предвзято ссылается лишь на те работы, которые говорят в пользу его теории, и за пропаганду значительных изменений в питании без каких-либо знаний о долговременных последствиях таких изменений.

Точно так же, как он поступал в дебатах о ядерном оружии, Полинг тотчас же бросился в контратаку. Он никогда не заявлял, говорил он, что витамин С может излечить простуду. Он понимает, что индивидуальные реакции как на витамин С, так и на простуду очень различны: некоторые люди никогда не простужаются независимо от того, принимают они витамин С или нет, другие постоянно простужаются независимо от принимаемой дозы витамина. Однако для подавляющего большинства, считал Полинг, витамин С в состоянии укрепить организм, повысить его сопротивляемость инфекции, предотвратить одни простуды и облегчить течение других.

В великих дебатах о витамине С противниками Полинга оказались большинство врачей, некоторые диетологи и другие ученые, которые заявляли, что Полинг хотя и получил когда-то Нобелевскую премию, но на старости лет залез не в свой огород, что в диетологии он профан, что он шарлатан и помешавшийся на здоровье чудак. На другой стороне оказались несколько ученых, которые знали Полинга достаточно хорошо, чтобы с уважением относиться к его интуиции, и 50 миллионов простых людей, которые в середине 70-х годов начали ежедневно принимать витамин С.

Для руководства Стэндфордского университета не было большим счастьем видеть среди своих профессоров человека, которого в печати называли шарлатаном. Не радовало руководителей и то, что Полинг постоянно призывал студентов протестовать против вьетнамской войны. Поэтому ни у кого не вызвало удивления, когда в начале 70-х годов университет отказался предоставить Полингу и Робинсону дополнительную площадь.

Выход нашел Робинсон. Он был знаком с богатым производителем хроматографического оборудования, который мог предоставить им деньги на сооружение лаборатории вне университетского кампуса. Почему бы не покинуть Стэнфорд и не организовать собственный исследовательский институт?

Полинг согласился попробовать. Весной 1973 года были решены вопросы финансирования, и Полинг с Робинсоном объявили, что собираются в нескольких милях от Стэнфорда организовать новый Институт ортомолекулярной медицины.

Полинг, которому теперь было 72 года, с энергией юноши занялся новым проектом. Пока Робинсон устанавливал лабораторное оборудование и руководил сотрудниками, Полинг ездил, произносил речи, писал заявки на гранты, собирал деньги, необходимые для новых исследований.

Потерпев неудачу с получением денег из обычных источников, Полинг обратился к общественности. Был нанят профессиональный сборщик пожертвований и организована широкая кампания рекламных объявлений и прямых письменных обращений с просьбами о пожертвованиях. И публика откликнулась. К середине 70-х годов сотни тысяч долларов потекли в институт. Робинсон стал мечтать о переводе института в Орегон, в новое здание, о его расширении и превращении в пользующийся мировой известностью исследовательский центр.

Остальные сотрудники не разделяли эти его мечты. Многим нравилась Калифорния, и им не хотелось из нее уезжать. Многих не устраивал стиль руководства Робинсона, временами авторитарный. Вместо того чтобы сделать возможной научную работу, деньги раскололи институт на два враждующих лагеря.

По одну сторону баррикады оказался Робинсон, по другую – Полинг. Робинсон отказался от своей научной карьеры в Сан-Диего и последовал за Полингом, поставив все на его институт. Пока Полинг разъезжал по свету с миротворческими речами или проводил время на ранчо в Биг-Сер, Робинсон тянул лямку рутинной повседневной работы в институте. У него были свои идеи относительно витамина С, и он начал перестраивать планы экспериментов в соответ твии со своими теориями. "Арт начал думать, что институт принадле жит ему", – позже сказал об этом времени Полинг.

Однако институт был не Робинсона, а Полинга. И когда он узнал о недовольстве персонала и о том, что Робинсон начал переориентировать исследования витамина С в направлении, которое Полинга не устраивало, он решил, что этому надо положить конец. В июне 1978 года он попросил Робинсона подать в отставку. Робинсон отказался. Вместо этого, возмущенный подобным обращением, он вчинил Лайнусу Полингу и институту иск на 25,5 миллионов долларов.

Это была скверная новость, но еще худшие ожидали впереди. Ава-Хелен заболела, и диагноз был плохим: рак желудка. Последующая операция очень ослабила ее. Казалось, что за несколько месяцев она постарела на 10 лет. Несмотря на совет ее врача, она отказалась от химиотерапии. Вместо этого она увеличила суточный прием витамина С до 10 граммов.

Некоторое время казалось, что это помогло. Она вновь обрела свою энергию и даже почувствовала себя достаточно хорошо, чтобы сопровождать Полинга в его многочисленных лекционных поездках. Она стала брать уроки музыки, училась играть народные песни на гитаре и купила рояль для их дома в Биг-Сер. В это время, в конце 70-х, она и Полинг не разлучались.

Однако в 1981 году рак вернулся. На этот раз никакие количества ви тамина С не помогали, хотя Полинг не опускал руки. Он все еще верил, что большие дозы сотворят чудо, как это произошло в Шотландии с некоторыми пациентами в поздней стадии рака. Он надеялся, что сможет заставить рак отступить, и не покладая рук работал, чтобы спасти ее. Однако ему не было сужденовыиграть эту битву. Ава-Хелен умерла у себя дома 7 декабря 1981 года. Первые месяцы после ее смерти были самыми трудными. Полинг ловил себя на том, что непроизвольно стонет от боли всякий раз, когда произносят ее имя. Он так и не перестал горевать, однако со временем постепенно свыкся с необходимостью продолжать жизнь одному.

В результате настойчивых усилий Полинга Национальный институт рака решил выделить средства для финансирования двух исследований в пользующейся мировой известностью клинике "Майо" в Миннесоте. Целью этих исследований было выяснить, действительно ли витамин С помогает раковым больным. Полинг с нетерпением ждал результатов, однако испытал глубокое разочарование, когда они были опубликованы. Оба исследования на пациентах с последней стадией рака, по видимому, показывали, что прием витамина С никак не повлиял на продолжительность их жизни. Медицинская общественность восприняла это как последнее слово в данном вопросе, хотя Полинг потратил несколько месяцев, пытаясь объяснить, что опыты были поставлены неправильно.

В 1986 году он опубликовал книгу, озаглавленную "Как прожить дольше и чувствовать себя лучше". Эта книга стала еще одним бестселлером.

Даже на девятом десятке, даже без Авы-Хелен Полинг продолжал много путешествовать, часто выступал с лекциями и регулярно печатал статьи по широкому кругу вопросов – от структуры кристаллов до ядерной физики, от сверхпроводимости до обмена веществ в человеческом организме, от химической связи до борьбы за мир. Он не переставал получать награды, почетные ученые степени и пропагандировать витамин С.

А потом медленно, гораздо медленнее, чем он надеялся, мнение научной общественности стало склоняться на его сторону. Новые группы молодых исследователей по-новому смотрели на витамин С, изучая его свойства как антиоксиданта, то есть вещества, препятствующего повреждению клеток свободными радикалами. В 1990 году Национальный институт рака принял решение созвать международную конференцию по витамину С. Было много докладов о его роли в реакциях обмена веществ, о его способности препятствовать возникновению и росту опухолей, увеличивать продолжительность жизни, уменьшать токсичность противораковых лекарств и повышать эффективность других методов лечения рака. "Это было замечательно, это было великое событие!", – сказал Полинг, когда конференция закончилась.

А гора фактов продолжала расти. Медицинское обозрение сообщило, что в 34 исследованиях из 47 была установлена способность витамина С предотвращать возникновение различных видов рака. Журнал "Тайм" опубликовал большую статью о поразительной пользе, которую приносит дополнительный прием витаминов, особенно антиоксидантов, подобных витамину С. Было показано, что до полнительный прием 500 мг витами на С в день увеличивает ожидаемую продолжительность жизни в среднем на 5 лет. В 1992 году на специальном заседании Нью-Йоркской академии наук профессор диетологии сказал:

"Три дня я здесь слушал разговоры о пользе больших доз витамина С и других природных веществ, но я не услышал ни одного упоминания имени Лайнуса Полинга. Не пришло ли время нам признать, что Лайнус Полинг все время был прав?" Ответом на этот вопрос была долгая овация.

Полинг, которому теперь было за 90, радовался хорошим новостям, но счастья они принесли ему меньше, чем могли бы дать прежде. У него нашли рак. Зимой 1991 – 1992 годов он перенес серию операций и начал лечиться большими дозами витамина С, свежими фруктами и овощами и экспериментальным методом стимулирования иммунной системы.

Большую часть времени теперь он проводил на своем ранчо в Биг-Сер, где делал расчеты, примостившись на отвесном берегу Тихого океана, принимал навещавших его старых друзей, смотрел в океанскую даль. Дети по очереди ухаживали за ним. Он закончил серию статей о структуре атомных ядер – тема, которая интересовала его со студенческих лет в Калтехе. Потом он отложил перо в сторону. Лайнус Полинг умер в Биг-Сер 19 августа 1994 года.

Перевод Ю.Ф.ОРЕХОВА

Алколоиды и история их открытия

Понятие об алкалоидах.

Алкалоиды очень широко распространены в растительном мире. Некоторые семейства растений особенно богаты алкалоидами, например маковые, пасленовые и ряд других. В большин-стве случаев алкалоиды встречаются группами, причем представители такой группы часто имеют сходное химическое строение. В растениях алкалоиды обычно встречаются в виде солей органи-ческих кислот – щавелевой, яблочной, виннокаменной, лимонной и др. Свободные алкалоиды ( выделенные из солей) в связи с их основными свойствами часто называют алкалоидами-основаниями.

Выделение.

Для выделения алкалоидов измельченные растения непосредственно обрабатывают щело-чами, а затем извлекают выделенные алкалоиды-основания хлороформом, эфиром и др. Сущест-вуют и другие способы. Иногда из растворов солей алкалоидов последние для очистки выделяют путем осаждения различными реактивами ( см. ниже реакции осаждения алкалоидов ).

Общие свойства алкалоидов

1. Образование нерастворимых простых солей. а) Реакция с танином. При добавлении к раствору соли алкалоида раствора танина выпада-ет осадок. При этой реакции образуется нерастворимая соль алкалоида и танина, имеющего ки-слотные свойства. Реакция имеет большое практическое значение: при отравлении алкалоидами пострадавшему дают пить раствор танина или просто крепкий чай, содержащий много дубильных веществ. б) Реакция с пикриновой кислотой. Растворы солей алкалоидов дают с пикриновой кисло-той желтый осадок. В данном случае сущность реакции точно так же сводится к образованию обычной соли алкалоида и пикриновой кислоты. в) Реакции с фосфорновольфрамовой и фосфорномолибденовой кислотами приводят к вы-падению в осадок нерастворимых солей алкалоидов и названных кислот.
2. Образование двойных (комплексных) солей. а) Реакция с хлоридом ртути (II) (сулемой) HgCl2. Алкалоиды дают нерастворимые в воде соли HgCl2. б) Реакция с раствором йода в растворе йодида калия. Указанный реактив (I2+KI?KI3) осаждает шоколадно-коричневый осадок двойной соли алкалоидов. в) Реакция с раствором йодида висмута в растворе йодида калия (BiI3+KI) протекает анало-гично предыдущей. Применяемый при этом реактив часто называют реактивом Драгендорфа. Реакции окрашивания. Помимо реакций осаждения, для обнаружения алкалоидов часто применяют реакции ок-рашивания. Окрашивание растворов, содержащих некоторые алкалоиды, происходит при действии серной, азотной кислоты и других реактивов.

Классификация

В настоящее время в связи с выяснением строения алколоидов чаще пользуются химиче-ской классификацией. Большинство алколоидов, содержащих в своиз молекулах гетероциклы, де-лят на группы в зависимости от присутствующих гетероциклов. Так, например, различают алка-лоиды группы пиридина (в эту группу входит никотин), алкалоиды группы хинолина (в эту группу входит хинин) и т.д. К алкалоидым часто относят метлированные производные ксантина, напри-мер теобромин и кофеин, как производные пурина. Эту группу алкалоидов называют называют алкалоидами группы пурина.

Некоторые учёные относят к алкалоидам и некотрые другие азотосодержащие вещества, обладающие основными свойствами и сильным физиологическим действием, но не содержащие гетероциклы. Примером таких алкалоидов являются алкалоиды группы фкнилэтиламина C6H5-CH2-CH2-NH2. Представителем этой группы является адреналин C6H3(OH)2-CH(OH)-CH2-NH(CH3).

История открытия алкалоидов

Морфин.

Изохинолиновые алкалоиды представляли для химиков, пытавшихся расшифровать их строение, высокий барьер. Здесь важен каждый шаг, как, например, доказательство того, что коде-ин представляет собой метилпроизводное морфина (Гримо, 1881).Еще труднее было подойти к их синтезу. Все же Пикте удалось в 1909г.синтезировать папаверин-первый алкалоид этой группы.

Систематическое исследование алкалоидов изохинолинового ряда началось в 1918 г. (Шпет).

В 1925г. Робинсон и Галланд установили строение морфина, в основе которого лежит изохинолино-фенантреновая группировка. Синтезирован он был в 1952 году (Гейтс и Тшуди).

Никотин. Кокаин.

Алкалоид никотин, как видно из формулы также принадлежит к пиридиновой или, точнее, пиридин-пирролидиновой группе алкалоидов.

Он был открыт в табаке Вокленом (1809), установившим также принадлежность никотина к основаниям. Правильная структурная формула никотина предложена Пиннером (1891); она была подтверждена синтезом этого алкалоида, осуществленным Пикте (1903).

Окислением никотина Хуберт (1867) получил никотиновую кислоту. Скрауп и Лобенцль (1883) установили строение ?- и ?-пиридикарбоновых кисллот (пиколиновой и никотиновой) по-лучением их при окислении хинолина и изохинолина.

К алкалоидам пиперидин-пирролидиновой группы принадлежит алкалоид кокаин. После нескольких неудачных попыток выделить его из листьев колы это удалось Ниману (1860) в лабо-ратории Вёлера. Вёлер и Лоссен предложили (1862) эмпирическую формулу кокаина С16Н20О4N, допустив ошибку только в определение числа атомов водорода (должно быть Н21,а не Н20). Ли-берман и Гизель (1890) усовершенствовали способ получения кокаина из листьев колы и тем от-крыли путь к промышленному производству этого алкалоида.

Из продуктов своего разложения кокаин был вновь синтезирован независимо Мерком и Скраупом (1885). Впервые правильную структурную формулу кокаина предложил Вильштеттер (1897); он подтвердил её в 1923 году 18-ступенчатым синтезом этого алкалоида.

Стрихнин

Пилокарпин.

Псевдопельтерин.

Кофеин. Теобромин. Теофиллин.

Достаточно взглянуть на формулы этих соединений, чтобы стало очевидным, почему химики при попытках уяснить их природу и взаимные отношения наталкивались на такие же труд-ности, как и при исследовании мочевой кислоты.

Если же не считать ксантина, открытого Мерсером в 1819 г., сначала химики познакоми-лись с алкалоидами этой группы. Кофеин был изолирован в 1821 г. несколькими химиками, но первая публикация принадлежит Рунге. Теобромин был выделен из бобов какао Воскресенским в 1840 г. Гуанин был получен в лаборатории Либиха Унгером в 1845 г. из гуано и поэтому первона-чально был назван “ксантином из гуано”, гипоксантин обнаружен в селезёнке Шерером в 1850 г., а аденин выделен из препаратов поджелудочной железы Косселем в 1885 г. В том же году Коссель открыл в чайных листьях и алкалоид теофиллин. В открытии новых алкалоидов и изучении их строения огромная роль принадлежит уче-ным нашей страны. Так, ещё на заре развития органической химии, в 1816г., харьковский профес-сор И. Гизе открыл алкалоид хинин. Огромную роль в химии алкалоидов сыграли работы А. Н. Вышнеградского – ученика А. М. Бутлерова. Особенно широко развернулась работа по алкалои-дам после Великой Октябрьской социалистической революции (исследования В.М. Родионова, А.М. Орехова, А.Г. Меньшиков, Н.А. Преображенского, Р. А. Коноваловой, С. И. Каневской и др.). Выдающаяся роль в этой области принадлежит А. П. Орехову и его школе.

Заключение

Таким образом, можно заключить, что алкалоиды – весьма обширный класс органических соединений, оказывающих самое различное действие на организм человека. В этом состоит их важная роль, которую играют алкалоиды в химической науке в целом и в повседневной жизни в частности.

Коршуновa Ю.А. Бойцовa И.Ю.

Водород - автомобильное топливо будущего

Тезис "водород — топливо будущего" звучит всё чаще. Большинство крупных автопроизводителей проводит опыты с топливными элементами. Такие экспериментальные автомобили в большом количестве мелькают на выставках. Но есть две компании, которые исповедуют иной подход к переводу машин на водородное питание.

"Водородное будущее" автотранспорта эксперты связывают, прежде всего, с топливными элементами. Их притягательность признают все.

Никаких движущихся частей, никаких взрывов. Водород и кислород тихо-мирно соединяются в "ящике с мембраной" (так упрощённо можно представить топливный элемент) и дают водяной пар плюс электричество.

Ford, General Motors, Toyota, Nissan и многие другие компании наперебой щеголяют "топливоэлементными" концепткарами и собираются вот-вот "завалить" всех водородными модификациями некоторых из своих обычных моделей.

Водородные заправки уже появились в нескольких местах в Германии, Японии, США. В Калифорнии строят первые станции по электролизу воды, использующие ток, выработанный солнечными батареями. Аналогичные эксперименты проводят по всему миру.

Считается, что лишь водород, выработанный экологически чистым способом (ветер, солнце, вода) действительно обеспечит нам чистую планету. Тем более, что, по подсчётам экспертов, "серийный" водород будет не дороже бензина.

Особенно привлекательным тут выглядит разложение воды при высокой температуре в присутствии катализатора.

О сомнительной экологической чистоте производства солнечных батарей; или проблеме утилизации аккумуляторов автомашин на топливных элементах (фактически — гибридов, так как это электромобили с водородной электростанцией на борту) — инженеры предпочитают говорить во вторую-третью очередь.

Специалисты BMW считают, что экономически вполне оправданно производить жидкий водород в странах, где много солнечных дней в году и танкерами доставлять его потребителям в других регионах (фото с сайта dacel.gpg.gov.za).

Между тем, есть ещё один путь внедрения водорода на автотранспорте — сжигание его в ДВС. Такой подход исповедуют BMW и Mazda. Японские и немецкие инженеры видят в этом свои преимущества.

Прибавку в весе машины даёт лишь водородная топливная система, в то время, как в авто на топливных элементах прирост (топливные элементы, топливная система, электромоторы, преобразователи тока, мощные аккумуляторы) — существенно превышает "экономию" от удаления ДВС и его механической трансмиссии.

Потеря в полезном пространстве также меньше у машины с водородным ДВС (хотя водородный бак и в том, и другом случае съедает часть багажника).

Эту потерю можно было бы вообще свести к нулю, если сделать автомобиль (с ДВС), потребляющий только водород. Но тут-то и проявляется главный козырь японских и германских "раскольников".

BMW и Mazda предлагают сохранить в автомобиле возможность ездить на бензине (по аналогии с распространёнными ныне двухтопливными машинами "бензин/газ").

Такой подход, по замыслу автостроителей, облегчит постепенный переход автотранспорта только на водородное питание.

Ведь клиент сможет с чистой совестью купить подобную машину уже тогда, когда в регионе, где он живёт, появится хоть одна водородная заправка. И ему не придётся опасаться застрять поодаль от неё с пустым водородным баком.

BMW 745h. Водородный бак съел весомую часть багажника (иллюстрация с сайта bmw.com).

Меж тем, серийный выпуск и массовые продажи машин на топливных элементах долгое время будут сильно сдерживаться малым числом таких заправочных станций. Да, и стоимость топливных элементов пока велика.

Кроме того, перевод на водород обычных ДВС (при соответствующих настройках) не только делает их чистыми, но и повышает термический КПД и улучшает гибкость работы.

Дело в том, что водород обладает намного более широким, по сравнению с бензином, диапазоном пропорций смешивания его с воздухом, при которых ещё возможен поджиг смеси.

И сгорает водород полнее, даже вблизи стенок цилиндра, где в бензиновых двигателях обычно остаётся несгоревшая рабочая смесь.

Две горловины рядом: для бензина и водорода. Два указателя уровня топлива. Это экспериментальная "семёрка" BMW (иллюстрация с сайта bmw.com).

Итак, решено — "скармливаем" водород двигателю внутреннего сгорания. Физические свойства водорода существенно отличаются от таковых у бензина. Над системами питания немцам и японцам пришлось поломать голову. Но результат того стоил. Показанные BMW и Mazda водородные автомобили сочетают привычную для владельцев обычных авто высокую динамику с нулевым выхлопом. А главное — они куда лучше приспособлены к массовому производству, чем "ультраинновационные" машины на топливных элементах.

Источник Мембрана.Ру

ИЗ ЧЕГО ВСЕ СОСТОИТ

САМЫЙ ПРОСТОЙ АТОМ

Атом водорода - самый простой из атомов. Его ядро - один протон, вокруг него движется один электрон. Если сравнивать атом водорода с небесными телами, то напрашивается сравнение с Землей до эпохи искусственных спутников, когда вокруг Земли двигалась только Луна. Но кроме баснословного различия масштабов есть еще одно: система Земля - Луна уникальна, а атомов водорода так много, что хочется сказать бесконечно много. И все они одинаковы, тождественны не только по составу, но и по всем своим свойствам.

Прежде всего, все эти атомы имеют одинаковые размеры. Расстояние от Луны до Земли медленно, но изменяется: Луна тратит энергию своего движения на приливы и отливы и из-за этого приближается к Земле. А вот атомы водорода, что бы с ними ни происходило, в какие ситуации они бы ни попадали, не меняются. Будто что-то электрону в атоме не позволяет приблизиться к протону. Что бы это могло быть?

Начнем с того, что, воспользовавшись положениями классической механики, рассмотрим, как движется притягивающийся к ядру электрон. Сила притяжения компенсируется центробежной силой, то есть e²/r² = =mv²/r. Отсюда радиус орбиты электрона r = e²/mv². Каков он, сказать невозможно. Фактически он может быть каким угодно: чем меньше скорость, тем расстояние от ядра больше. Не удивляйтесь: полная энергия движущегося электрона Е тем больше, чем электрон дальше от ядра. Действительно, сумма потенциальной и кинетической энергий Е = -e²/r + mv²/2. Но mv² = e²/r, то есть Е = -e²/2r. Получается, что в одном атоме водорода электрон может быть ближе к ядру, в другом - дальше. Потенциальная энергия электрона U(r), соответствующая силе электростатического притяжения F_C = -e²/r², есть U(r) = -e²/r плюс постоянная, которую удобно принять равной нулю. Тогда при бесконечном расстоянии электрона от ядра энергия обращается в нуль. При отрицательной энергии электрон вращается вокруг ядра, а при положительной не связан с ядром и может удалиться на бесконечность.

Считая траекторию электрона окружностью, мы заметно упростили картину. Движение по окружности под действием электростатической кулоновской силы - частный случай. В общем случае частица с отрицательной энергией движется по эллипсу, в одном из фокусов которого находится притягивающий центр. Формула, связывающая радиус орбиты частицы с энергией, остается справедливой, если под 2r понимать большую ось эллипса.

То, что с помощью классического подхода не удалось выяснить, почему все атомы водорода имеют одинаковые размеры, неудивительно. Движение микроскопических частиц описывается не классической механикой Ньютона, а квантовой механикой, математический аппарат которой весьма непрост. Не претендуя на строгость, можно поступить так: к классическим формулам добавить условие, вытекающее из того, что движение электрона сопровождает волна де-Бройля. Так в свое время поступил Нильс Бор (1885-1962). Правда, когда Бор создавал теорию атома водорода (1913 год), квантовой механики еще не существовало, но он понимал, что использованный прием требует обоснования. Мы же теперь знаем, что такое обоснование есть - это квантовая механика.

Условие, вытекающее из существования волны де-Бройля, выглядит так: на траектории электрона обязано поместиться целое число волн де-Бройля, то есть 2pr = nl, где n = 1, 2, 3 … - целые числа. Но l = 2pћ/mv (напоминаем, что ћ = h/2p). Значит, r = =(ћ/mv)n, где n = 1,2,3… Сравнив последнее выражение с формулой, связывающей радиус орбиты со скоростью, получим: r = a_n= = а_Вn², а_В = ћ²/mе², где n = 1, 2, 3 …, индекс "В" - в честь Бора. Величину а_В так и называют - радиус Бора. Радиус Бора приблизительно равен 0,053 нанометра (1 нм = = 10^-9 м). Подставив это значение в выражение для энергии, имеем: Е = Е_n = - e²/2а_n = - (me⁴/2ћ² )(1/n²), где n = 1,2,3 …

Величину (me⁴/2ћ²) называют ридбергом в честь шведского оптика Иоганеса Роберта Ридберга (1854-1919) и обозначают Ry, 1 Ry = = 13,6058 эВ. Электронвольт (эВ) - принятая в атомной физике единица энергии, то есть энергия, которую приобретает электрон, пройдя разность потенциалов, равную одному вольту, 1 эВ = 1,60217733Ч10^-19 Дж. Мы еще вернемся к вопросу, большая или маленькая энергия масштаба одного ридберга, а пока попытаемся понять качественную сторону полученных результатов.

Из них следует три вывода.

Во-первых, электрон в атоме может иметь только дискретные значения энергии. Мы нарочно опустили наименование атома - водород. В любом атоме энергии электронов дискретны.

Во-вторых, существует состояние электрона с энергией, меньше которой электрон иметь не может. Это состояние называется основным. Все остальные состояния называют возбужденны ми.

Прежде чем сформулировать третий пункт, придется сказать несколько вступительных слов. Двигаясь с ускорением, заряженная частица излучает электромагнитные волны. На этом принципе устроены все антенны, любые источники электромагнитного излучения - радиоволн, видимого света, рентгеновских и гамма-лучей. А электрон в атоме, в каком бы состоянии он ни находился, не излучает, хотя движется с ускорением. Правда, электрон в возбужденном состоянии может излучить электромагнитную энергию, перейдя в одно из состояний с меньшей энергией. Энергия излучается квантами, и в процессе излучения, как во всех процессах, происходящих в природе, выполняется закон сохранения энергии. Энергия излученного кванта в соответствии с законом сохранения энергии равна hn = = E_n - E_m, где n и m - целые числа и n > m. Сколько времени электрон проведет в возбужден ном состоянии, зависит от целого ряда причин, исследованных квантовой механикой. Эти времена различны, но все они конечны. Исключение составляет основное состояние: закон сохранения энергии запрещает электрону, находящемуся в основном состоянии, излучать электромагнитную энергию.

Отсюда следует третий вывод: основное состояние электрона в атоме устойчиво.

Те, кому для понимания нужен зрительный образ (а таких, видимо, большинство), наверное, уже представили себе атом водорода в виде колечка, по которому катается электрон вокруг центра, где находится ядро - протон. Придется вас огорчить: эта картинка неверна. Она была бы верной, если бы электрон подчинялся законам классической механики. Настоящая квантовая механика, а не та наглядная комбинация корпускулярных и волновых представлений, которые были изложены, утверждает, что электрон в основном состоянии "размазан" не по окружности, а по сфере, радиус которой равен приблизительно а_В.

Так что представлять себе атом лучше шариком, а не колечком. Слово "размазан" взято в кавычки неслучайно. Никакого реального размазывания электрона по атому не происходит. Правильнее было бы сказать так: в любой точке сферы радиуса а_В, а также вблизи нее есть вероятность обнаружить электрон. Суммарная вероятность найти электрон в атоме, естествен но, равна единице. Ведь он действительно там - в атоме!

Энергию, равную 1 ридбергу, нужно придать электрону, чтобы он оторвался от ядра, то есть это энергия ионизации атома водорода. Один из способов оторвать электрон таков: атом водорода сталкивается с каким-либо другим атомом, который и передает электрону свою энергию. Когда столкновения происходят в газе, то мерой средней энергии движения атомов служит температура Т, а поскольку 1 эВ = 1,16064Ч10⁴ К, 1 Ry = 1,58Ч10⁵ К, или свыше полутора миллионов градусов. Каким же горячим должен быть газ, чтобы ионизация за счет столкновений происходила часто! А если вспомнить, что первое возбужденное состояние электрона отделено от основного по энергии на "расстояние", равное (3/4) Ry, то и возбуждение атомов водорода будет происходить часто только в очень горячем газе.

Другой способ ионизации и/или возбуждения атомов - поглощение фотонов. Энергии квантов видимого света может хватить и на возбуждение, и даже на ионизацию. Нужно лишь иметь в виду, что атом и поглощает и излучает свет только определенными порциями - такими, чтобы электрон смог перейти из одного разрешенного состояния в другое, возбуждая атом. А если энергия кванта больше энергии ионизации, свет заведомо электрон оторвет.

Способность разных веществ поглощать и излучать электромагнитную энергию квантами определенной, но различной величины послужила основой спектроскопии - важной экспериментальной методики, позволяющей очень точно определять химический состав.

Мы уже обращали внимание на непоследовательность планетарной модели атома, если движение электрона описывать законами классической физики. Согласно классической физике атомы вообще не могут существовать. Заряженная классическая частица, вращаясь с частотой n, непрерывно излучает электромагнитную энергию именно частоты n. Тратя энергию на из лучение, классическая частица "медленно и верно", а по человеческим масштабам времени - мгновенно, приближается к ядру и в конце концов прилипает к нему - атом исчезает.

Квантовая механика, кардинально изменив картину движения атомных и субатомных частиц, оправдала планетарную модель.

Невозможно себе представить, как в годы полного триумфа электромагнитной теории Резерфорд решился пожертвовать классической электродинамикой и принять планетарную модель атома. Трудно проникнуть в интуицию гениев.

ЯДРА И ЯДЕРНЫЕ СИЛЫ

Ни атомы, ни более сложные конструкции из микроскопических частиц без тяжелых ядер, состоящих из нуклонов, существовать не могут. И все же в нашем рассказе речь пойдет в основном не о нуклонах, а об электронах, так как именно они ответственны за конструирование из атомов более сложных структур - молекул и твердых тел. Этот раздел - исключение: в нем мы расскажем о том, какие силы действуют между протонами и нейтронами, позволяя им создавать ядра атомов.

При всей простоте атома водорода у него есть изотопы. Всего их три. Обычный атом водорода, у которого ядро - протон, иногда называют протием (слова "протон" и "протий" происходят от греческого слова протос - первый). Следующий по массе изотоп - дейтерий (по-гречески деутерос - второй). В его ядре один протон и один нейтрон. Самый тяжелый изотоп водорода - тритий (тритос - по-гречески третий). Его ядро состоит из одного протона и двух нейтронов. Дейтерий устойчив, тритий живет достаточно долго. Период его полураспада (время, за которое распадается половина ядер) 12,26 года. У всех остальных атомов и их изотопов ядра также состоят из протонов и нейтронов.

Нуклоны притягиваются друг к другу ядерными силами, которые совершенно не похожи на те, с которыми мы встречались до сих пор - ни на гравитационные, ни на электростатические. Электростатические силы действуют и на микроскопических и на макроскопических расстояни ях. Ядерные силы не проявляют себя на макроскопических расстояниях: они очень быстро спадают с расстоянием. Радиус их действия порядка 10^-15 метра. Для этой сверхмалой длины, характеризующей размеры атомных ядер, ввели специальное обозначение: 10^-15 м = 1 Фм (ферми, в честь итальянского физика Энрико Ферми, 1901-1954). Все ядра имеют размеры нескольких ферми.

Радиус ядерных сил по порядку величины равен размеру нуклона, поэтому ядра - сгустки очень плотной материи. Возможно, самой плотной в земных условиях. Наиболее тесно нуклоны упакованы в ядре атома гелия, которое состоит из двух протонов и двух нейтронов. Атом гелия, лишенный своих электронов, называется альфа-частицей (a-частицей). Во многих случаях удобно считать, что и более тяжелые ядра состоят из альфа-частиц. Не вошедшие в альфа-частицы нуклоны слабее связаны с ядром, чем те, которые находятся в их составе.

Ядерные силы - пример сильных взаимодействий. Они многократно превосходят кулоновскую силу (но, конечно, на одинаковом расстоянии). Электростатическое взаимодействие характеризуется энергией порядка нескольких электронвольт, а характерные ядерные энергии в миллион раз больше - мегаэлектронвольты (Мэвы).

Короткодействие ограничивает действие ядерных сил ближайшим окружением нуклона, в то время как медленно спадающее с расстоянием электростатическое отталкивание протонов действует во всем объеме ядра. С ростом числа нуклонов ядра становятся неустойчивыми, и поэтому большинство тяжелых ядер радиоактивны, а совсем тяжелые вообще не могут существовать. Конечное число элементов в природе - следствие короткодействия ядерных сил.

Однако в конце 60-х годов XX века теория ядра предсказала существование стабильных элементов с порядковыми номерами Z = =110 -114, а возможно, и 126 - так называемого "острова стабильности". Эту теорию косвенно подтверждает эксперимент, недавно проведенный в Дубне. Там был получен 114-й элемент с атомной массой А = 289, который "жил" 30 секунд - невероятно долго для атома с ядром такого размера. Сегодня теоретики уже обсуждают свойства сверхтяжелых ядер массой 300 и даже 500, хотя в самой возможности их существования имеются определенные сомнения (см. "Наука и жизнь" № 9, 2002 г.).

Когда говорят о ядерных силах, часто не различают протон и нейтрон. Ядерные силы очень слабо зависят от того, взаимодействует протон с протоном, нейтрон с нейтроном или протон с нейтроном.

Удивительный вывод квантовой физики: два нуклона притягиваются друг к другу, потому что обмениваются между собой частицей. Частицу назвали пи-мезоном, или пионом. Один нуклон испускает пи-мезон (p-мезон), другой его поглощает, а в результате нуклоны притягиваются друг к другу. В слове "мезон" он - окончание, как у всех названий частиц, а корень мезо взят из греческого, мезос - промежуточный: масса p-мезона больше массы электрона и меньше массы протона. Масса p-мезона стала известна еще до открытия этой частицы. По теории (она была создана в 1935 году японским физиком Хидэки Юкава, 1907-1981) между радиусом действия ядерных сил и массой p-мезона m_p существует простая связь: m_p >= ћ/cr_n. Есть три сорта p-мезонов - положительный, отрицательный и нейтральный. Их массы несколько отличаются, но все они примерно в 200 раз больше массы электрона.

Итак, ядра атомов состоят из протонов и нейтронов. На первый взгляд у нейтрона, как у одного из основных (первичных) элементов, из которых все построено, есть крупный недостаток. Нейтрон недолговечен. В свободном состоянии время его жизни приблизительно 15 минут. Он распадается на протон, электрон и антинейтрино (этот процесс называется b-распадом, по скольку поток электронов когда-то назывался бета-лучами). Однако в стабильных ядрах, по современным оценкам, время его жизни превышает 10³² лет. Скорее всего, столько же живет протон, распад которого старательно искали, но так пока и не обнаружили. Нестабильность протона предсказал А. Д. Сахаров.

В ядре атома сосредоточена атомная энергия. Ее освоение - задача ядерной физики.

MOMEНT КОЛИЧЕСТВА ДВИЖЕНИЯ

Количеством движения, или импульсом частицы, называется произведение ее массы m на скорость v. Изменение импульса происходит тогда и только тогда, когда на частицу действует сила. Если сила не действует, импульс сохраняется, его величина не зависит от времени. Закон сохранения импульса, как и закон сохранения энергии, - один из основных законов природы. Во всех без исключения случаях, что бы ни происходило с системой тел любой природы, ее энергия и импульс не изменяются, лишь перераспределяясь между частями системы, если она ни с чем не взаимодействует (а это и означает, что на нее не действует сила).

В атоме водорода движущийся электрон испытывает силу притяжения ядра. Поскольку ядро в тысячи раз тяжелее электрона, можно принять, что оно неподвижно относительно центра масс системы, и считать, что в любом атоме движутся только электроны.

Пока ограничимся атомом водорода. При движении электрона вокруг протона сохраняется его полная энергия Е, равная сумме потенциальной и кинетической энергий. Импульс электрона меняется, так как на него действует сила притяжения. Но в данном конкретном случае есть другая величина, которая остается неизменной.

Когда частица массы m вращается со скоростью v по окружности радиуса r, то одной из важнейших характеристик ее движения, наряду с энергией, служит момент количества движения (импульса), или просто момент. Обозначим его буквой М. Буквы М и v напечатаны жирным шрифтом, чтобы подчеркнуть: скорость и момент количества движения - величины векторные. Вектор М направлен по оси вращения, а в какую сторону, зависит от направления вращения.

При движении частицы под действием силы, обладающей центральной симметрией (а именно такова сила, притягивающая электрон к ядру), момент не зависит от времени - на всей траектории он один и тот же. Можно сказать иначе. Траектория частицы определяется ее энергий Е и моментом М (его величиной и направлением): траектория (при Е < 0 эллипс или окружность ) лежит в плоскости, перпендикулярной вектору момента М. Величина момента М и энергия Е связаны условием 2М² ЈЅЕЅ/e ²m_е Ј 1. При равенстве, то есть когда величина момента наибольшая при фиксированной энергии, траекторией будет окружность. Чем момент меньше, тем эллипс более вытянут. Это происходит не за счет удлинения большой оси (ее длина зафиксиро вана значением энергии), а за счет уменьшения малой.

Последнему неравенству можно придать несколько странный вид: М² Ј ћ²(а/а _В). Боровский радиус а_В пропорционален ћ², поэтому в неравенстве фактически постоянной Планка нет. Переписанное в таком виде неравенство показывает, что момент количества движения М и постоянная Планка ћ имеют одинаковые размерности.

ПРОСТРАНСТВЕННОЕ КВАНТОВАНИЕ

Характерная черта квантовой механики - дискретность физических величин: все они меняются не плавно, а скачками. Дискретность - следствие сочетания корпускулярных и волновых свойств атомных и субатомных частиц. С одним примером дискретности мы уже знакомы: электрон в атоме водорода может иметь не любые, а только определенные (дискретные) значения энергии.

Если при классическом подходе физическая величина может иметь произвольные значения, а при квантовом - дискретные, говорят, что данная физическая величина квантуется . Момент М квантуется, но он - вектор, имеющий и величину, и определенное направление в пространстве. Квантуется не только величина вектора М, но и его направление. Отсюда название - пространственное квантование .

Пространственное квантование - одно из следствий соотношения неопределенностей Гейзенберга. Для его описания надо выбрать в пространстве направление и с ним совместить ось квантования . Слово "выбрать" не очень точно: на самом деле совершенно безразлично, куда направить ось квантования. Сила, действующая на частицу, не зависит от направления, все направления в пространстве эквивалентны, и ось квантования можно ориентировать как угодно. А если бы вектор М был классическим, то есть его свойства описывались законами ньютоновской механики, то и угол q между вектором М и осью мог быть произвольным. В квантовой механике не так.

Примем ось квантования за ось z прямоугольной (декартовой) системы координат; две другие оси - х и у; M_x, M_y, M_z = Mcosq - проекции вектора М на оси выбранной (но ориентированной произвольно) системы координат. Пространственное квантование означает, что угол q не произволен, он таков, что проекция вектора М на ось z (ось квантования) принимает целочисленные значения: M_z = -ћl, -ћ(l-1) … ћ(l-1), ћl, где l - целое число или нуль. Всего вектор М может иметь 2l + 1 проекций на ось квантования. Число l задает длину вектора М - величину момента М: М = ЅМЅ = ћ[l(l+1)]^1/2. Кроме M_z, других определенных проекций (M_x, M_y) вектор М не имеет вовсе.

С ростом числа l момент количества движения становится все более "классическим": число возможных проекций на ось z возрастает, а величина момента приближается к величине максимальной проекции (М ® ® ЅМЅ_макс ). Это простой пример принципа соответствия , согласно которому при определенных условиях формулы, полученные по законам квантовой механики, должны совпадать с формулами, полученными на основе классической механики. В данном случае эти определенные условия формулируются особенно просто: М >> ћ.

Вернемся к атому водорода. Выведенное в предыдущем разделе неравенство, которому удовлетворяют энергия и момент количества движения в квантовом случае, выглядит особенно просто: l Ј (n - 1), то есть при фиксированном числе n число l может принять n значений: 0, 1, …, (n - 1). Следовательно, в основном состоянии (n = 1) у электрона может быть только нулевой момент количества движения. Учтя, что каждому значению числа l соответствует 2l + 1 состояний (различных проекций момента М на ось квантования), нетрудно убедиться, что любому значению n соответствует n² состояний. Для дальнейшего изложения этот результат очень важен.

СПИН - СОБСТВЕННЫЙ МОМЕНТ КОЛИЧЕСТВА ДВИЖЕНИЯ

Давайте вернемся к таблице 1 (см. "Наука и жизнь" № 10, 2003 г.). В ней есть столбец "спин", во всех клеточках которого стоит 1/2. Расширим таблицу, внеся в нее p-мезоны, нейтрино и фотоны (табл. 2).

Против каждого из мезонов (положительного, отрицательного и нейтрального) в соответствую щей клеточке столбца "спин" стоит 0, у фотона - 1, а у нейтрино - 1/2. Итак, спин электронов, протонов, нейтронов и нейтрино равен половине, p-мезонов - нулю, а фотона - единице. В столбце со странным названием "статистика" против частиц со спином 1/2 стоит буква Ф, а против тех, у которых спин равен 0 или 1, - буква Б.

Что же такое спин? Сначала еще несколько слов об обыкновенном моменте количества движения, не о собственном. То, что l - целое число и справедливы формулы, описывающие пространственное квантование, - следствие волнового движения микрочастицы в пространстве. При вращении, казалось бы, всегда что-то движется в пространстве. Когда вращается твердый шарик во-круг оси, проходящей через его центр, все точки в шарике и на его поверхности, кроме расположенных на оси, перемещаются в пространстве.

Может ли вращаться точка? На первый взгляд вращение точки - абсурд. Оказывается, нет! Частица, которую можно (а иногда даже следует) считать точечной, способна "вращаться". Правильней сказать так: такая частица обладает собственным моментом вращения, или спином (по-английски spin - вращаться). Эпитет собственный очень важен. Он означает, что этот момент - неизменное, неустранимое свойство частицы, такое же, как ее масса и заряд.

А то, что собственный момент не связан с перемещением в пространстве (недаром слово "вращаться" взято в кавычки), приводит к тому, что не обязательно l - целое число. Но число проекций на ось квантования 2l + 1 - целое. В случае собственного момента l может быть либо целым числом, либо полуцелым. Когда речь идет о спине, вместо буквы l принято использовать букву s. Хотя величина собственного момента (спина) есть ћ[s(s + 1)]^1/2, величиной спина частицы считают именно s.

Частицы с нулевым или целым значением спина (s = 0, 1, 2 …) называются бозонами (буква Б в таблицах). Частицы с полуцелым спином (не только с s = 1/2, но и с 3/2 или 5/2 … - такие тоже есть) называются фермионами (буква Ф в таблицах). Каково различие фермионов и бозонов, будет рассказано ниже.

Повторим: у электрона, протона, нейтрона и нейтрино спин равен 1/2. Спин, равный 1/2, - удивительный вектор. В этом случае 2s + 1 = 2. Значит, спин электрона, протона, нейтрона, нейтрино имеет лишь две проекции на ось квантования: +1/2 и -1/2. Ось, правда, может иметь произвольное направление в пространстве.

Вернемся к концу предыдущего раздела. Электрон имеет две различные проекции спина. Поэтому при фиксированном значении n число состояний электрона равно 2n²:

n = 1, 2, 3, 4…

2n² = 2, 8, 18, 32, 50…

Эти числа столь важны, что им выделена отдельная строка.

Обратимся теперь к таблице Менделеева. Цифры 2, 8, 18… важны для понимания структуры периодов. Один пример. Инертные газы завершают периоды. Атомные номера - у гелия He Z = 2; у неона Ne Z = 10, но 10 = =2 + 8; у аргона Ar Z = 18. Дальше совсем интересно: у криптона Kr Z = 36, но 36= = Z_Ar + 2 + 8 + 8. У ксенона Xe Z = 54, а 54 = Z_Kr + 2+ + 8 + 8. Похоже, выписанные выше числа действительно играют какую-то важную роль. Особенно, если вспомнить, что атомный номер Z совпадает с числом электронов в атоме. Чтобы понять, почему числа 2, 8, 18… столь важны, придется познакомиться с одним из фундаментальных положений квантовой физики - с принципом запрета Паули.

НЕРАЗЛИЧИМОСТЬ И ПРИНЦИП ПАУЛИ

Понятие "взаимодействие", наверное, представляется довольно очевидным. Особенно, когда речь идет об атомных или субатомных частицах. Находящиеся на некотором расстоянии друг от друга частицы либо притягиваются одна к другой, либо одна от другой отталкиваются. Взаимодействие - следствие существования у частиц особого свойства, называемого зарядом. Раньше физики знали только электрические заряды - положительный и отрицательный. Углубление в микромир привело к открытию еще нескольких зарядов. В отличие от электрических они не играют роли при взаимодействии макроскопических тел.

Когда заряд равен нулю, то, казалось бы, взаимодействия нет. Но квантовая механика вносит свои коррективы. При равенстве соответствующего заряда нулю сила притяжения или отталкивания, обязанная ему, действительно равна нулю. Но взаимодействие все же есть. Оно проявляется в том, что состояние двух одинаковых частиц не есть произвольное состояние каждой из частиц. Состояние должно удовлетворять принципу неразличимости .

Квантовые частицы неразличимы в принципе. Это утверждение сильнее, чем утверждение о тождественности частиц в классической физике. В ньютоновской механике частица движется по определен ной траектории. За ней можно следить, ее не спутаешь с другой, даже если они тождественны. В квантовой механике у частицы нет определенной траектории. Возможны квантовые скачки, можно с определенной вероятностью обнаружить частицу на первый взгляд в неожиданном месте - непрерывно следить за ней невозможно. Описывая движение двух или нескольких квантовых частиц, нужно использовать условия, которые обеспечивают выполнение принципа неразличимости.

Свою неразличимость частицы проявляют по-разному. Как именно, зависит от их спина - целый он (в частности, нулевой) или полуцелый. Если частицы - бозоны, то есть имеют нулевой или целый спин, то функция, описывающая состояние двух частиц, при перестановке частиц местами вовсе не меняется. Если же частицы - фермионы с полуцелым спином, функция, описывающая состояние двух частиц, при перестановке частиц меняет знак. (В квантовой теории перемена частиц местами - чисто математическая процедура: в функции, описывающей их состояние, меняют местами аргументы, относящиеся к разным частицам). Это различие кардинально влияет на поведение совокупностей квантовых частиц - как принято говорить, на их статистику (см. таблицы 1 и 2, столбец "статистика").

О различии статистик можно сказать совсем кратко: любому количеству бозонов ничто не мешает скапливаться в одном состоянии. Именно это их свойство позволило получить "пятое состояние вещества" - так называемый бозе-эйнштейновский конденсат, когерентную материю, комок атомов в одном квантовом состоянии (см. "Наука и жизнь" № 1, 2002 г.). А число фермионов в каждом состоянии либо 0, либо 1. Третьего не дано! Для фермионов осуществляется запрет: две одинаковые частицы не могут находиться в одном и том же состоянии.

Этот запрет в 1924 году впервые сформулировал Вольфганг Паули (1900-1958). Запрет заслуженно называется принципом Паули.

Состояние электрона в любом атоме определяют четыре числа:

главное квантовое число n (n = 1,2,3…);

орбитальный момент количества движения l Ј (n - 1);

проекция момента на ось квантования l_z (таких проекций 2l + 1);

проекция спина на ось квантования (их две - либо +1/2, либо -1/2).

Принцип Паули запрещает электронам иметь четыре совпадающие характеристики. Этот запрет диктует закон, по которому построена электронная оболочка атома.

Доктор физико-математических наук М. КАГАНОВ.

При перепечатке ссылка на источник желательна!

Сайт журнала >>>>>